設備智慧化技術-刀具選用輔助模組

文◆財團法人精密機械研究發展中心石承泰

一、開發背景與目標

現今工具機大多配有刀庫系統，主要目的為提高加工效率，但刀庫系統中可安裝之刀具少則十幾把，多則可達約一百把，使用者不易熟記所有安裝的刀具型式、使用狀態，導致使用者無法快速選擇適合的刀具加工。

假使刀庫中所有的刀具不符合目前的加工件，工廠必須讓工具機暫時停機一段時間，且由人工來替換加工刀具。此動作容易拖長加工時程、延遲商家出貨日期，因此現有的刀庫系統無法完整滿足現代化的加工需求。此外隨著近年來消費趨勢轉變，連帶影響到製造業的生產模式，走向少量多樣的加工需求，現場人員的前置換刀時間與頻率亦隨之增長，此為影響整體加工效率的原因之一，如選用錯誤的刀具亦可能導致工件品質不良，進而增加成本支出。

故刀具資源導向選刀輔助模組的目標就是提供「簡易的換刀指引」，協助現場人員快速且正確地完成刀具更換，提高生產效率，降低加工異常發生率。

目前五軸機型大致可分為三類，Type A兩軸旋轉主軸頭、TypeB兩軸旋轉工作台、Type C 一個旋轉主軸頭及一個旋轉工作台。

二、應用情境與系統功能需求

本技術的角色主要作為機邊輔助應用工具，可縮短加工前的整備時間，提升作業效率。

(一) 應用情境

機邊應用需搭配SMB及機邊人機介面進行刀具加工歷程記錄與刀具進出管理，現場人員透過人機介面掌握刀庫內刀具使用狀態，並於每次工件上下料時提供刀具選用推薦指引，協助現場人員正確換刀。整體操作方式如下：

(二) 操作流程與系統功能

透過操作流程可歸納出系統應具備下列功能：

三、系統架構

刀具選用輔助模組需建立在刀具資訊數位化的前提下，所需記錄保存的資訊包括加工程序的刀具清單、工具機內刀具資訊、刀具使用歷程⋯等。整個刀具資料庫系統所記錄的刀具相關資訊，由SMB透過網路與工具機及資料庫進行連線。S M B 預載之刀具選用輔助模組透過SkyMars與工具機控制器進行連線，分析加工程式紀錄刀具使用資訊；另提供人機介面讓使用者進行刀具進出管理、刀具資訊建立及刀具選用建議。整體系統架構如下：

四、刀具管理資料庫

依據系統功能分析，目前需建立之刀具資料表如下：
1. 刀具資訊、2. 加工刀具清單3. 刀把清單、4. 刀具使用歷程、5. 刀具比對結果

五、刀具比對功能

此功能用於比對「工具機內備刀情形」及「加工刀具清單」來決定要更換哪些刀位刀具，同時也會比對刀具使用狀態，如有壽命到達之刀具也會一併排入更換。比對結果除了顯示工具機內的刀號，也會提示備用刀的存放位置，節省人員找尋刀具之時間，提升作業效率(如圖6)。

操作人員透過人機介面如下圖，將進行：
● 工具機內不在刀具清單內與壽命到達之刀具進行下刀作業
● 工具機內缺乏的加工刀具進行上刀作業
● 每執行一個換刀建議，即時更新介面資訊，直到完成所有換刀建議，以確保換刀作業正確執行

提供「簡易的換刀指引」，操作步驟：

1.操作人員輸入產品品號與工序
2.依據資料庫比對結果，顯示上刀/下刀推薦，依提示逐步進行下刀/上刀操作

六、刀具使用紀錄

(一) 刀具狀態預估公式

刀具壽命終止主要分為兩項因素，一是由於加工過程中刀具刀腹產生漸進式磨耗(Wear)導致刀具無法使用，其二為因加工導致刀具斷裂破損(Breaking)無法繼續使用。根據ISO國際標準針對刀具磨耗的定義，當刀腹平均磨耗值(VB)大於0.3mm，或最大磨耗值(VBmax)大於0.6mm，即判定此刀具壽命終結，如圖8所示。

刀具壽命(Tool life)是評估刀具是否適用於所選的加工製程、加工材料進行切削加工的重要依據，一般可使用泰勒氏公式(Taylor’sTool Life)來表示，如下公式所示。

V:切削速度(m/min)
T:刀具使用切削時間(min)
n:指數，與刀具材質、工件材料及切削條件有關
C:常數(m/min)，指刀具壽命為一分鐘時之切削速度
其中，每種不同刀具、工件材質及切削條件的組合，會有不同的指數(n)與常數(C)，兩數值可經由實驗獲得，相關數值如下表所示。

(二) 刀具狀態預估所需之歷程記錄

除了以泰勒氏公式做為壽命評估的依據，在刀具狀態預估中，還需要記錄下列數據供系統計算比對，以建立刀具選用建議，供現場操作人員參考，減少因刀具異常所造成的工具機停機，影響產線產能。

1.刀具ID：構建刀具編號，以儲存刀具相關資訊

(1)刀具材質：提供泰勒氏公式選取指數(n)與常數(C)之依據

(2)加工歷程：紀錄刀具總加工時長，以計算刀具剩餘壽命

2.NC Code ID：構建加工程式編號，以儲存加工相關資訊

(1)工件材質：提供泰勒氏公式選取指數(n)與常數(C)之依據

(2)加工時長：供系統進行壽命比對，以建立刀具選用建議

(3)加工轉速：提供泰勒氏公式計算用

(三) 刀具狀態估算範例

在實務上的應用，一把刀具會經歷不同的加工條件，因此參考虎尾科技大林維新教授之研究，泰勒公式可以重新整理如下，即可導出不同切削速度下累積切削時之刀具壽命方程式。

七、工具機連線及NC程式碼解析

(一) NC程式碼解析

透過上一章節所提到的刀具壽命計算方式，我們可以知道要估算刀具壽命必須取得刀具加工當下的切削速度，以及該切削速度下所加工的時間有多長。

由於一般加工機控制器中無法提供這類資訊，因此在計畫中建立了一套NC Code解析器，可以在背景偵測控制器運行狀態，當控制器循環啟動開始加工後，系統便會開始掃描當前執行的NC Code，透過解析換刀、切削命令來記錄刀具使用歷程。例如當系統掃描到M6 T1時，系統就會將加工刀具改為T1；程式碼執行S2000 G1 X___ Y___Z___時，系統就會開始記錄當下切削轉速、下刀時間及切削結束的歷時。如此搭配刀具管理系統，即可獲得所有刀具之使用歷程，並以此估算刀具當前狀態。

(二) 工具機連線解析架構

如圖1 0 所示，刀具狀態監測主要以SkyMars提供的API，經由XML資料格式傳輸資訊(主軸轉速、當前執行指令等)至刀具輔助模組軟體，藉由解析NC Code資訊，並轉譯資料格式匯入資料庫中儲存歷程。偵測加工程式結束後，更新刀具使用次數，同時以泰勒公式估算法更新刀具狀態。

八、結論

隨著加工製程日益複雜，機台上需裝配各種不同類型的刀具，以符合各種製程需求，導致使用者於加工前，必須花費大量時間比對刀具與工序是否匹配，此外還有許多人為的不確定因素(例如:刀具裝錯位置)。為實現高品質及高安全度之加工，透過導入本技術模組，可在2秒內比對工具機刀庫內刀具狀態，以及待加工件之加工刀具清單，搭配分析NC加工碼記錄刀具使用歷程來估算刀具狀態，提供刀具更換建議，取代傳統需仰賴人為逐一比對之流程，並將上下刀位置及流程可視化，讓現場作業人員可以方便、快速且正確地依照換刀指引進行刀具更換。對於終端客戶使用方面，可避免現場人員延誤刀具更換，造成後續不良品產生，同時可縮減加工前置準備作業時間，有效提升作業效率；對於整機廠來說，藉由整合本技術，能增加自主設備智慧化能量，提升產品附加價值，強化公司產品競爭力。

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